April, 30, 2004

隔 震 建 築                                                                  Hongming Hwang

民國八十八年九月二十一日凌晨一點四十七分，一陣天搖地動，奪走了2246條人命，房子全倒9909棟。震央在集集的大地震，地震規模七點三級，遠超過政府頒佈的建築強度規範值，我們不禁要省思，身處在地震帶的台灣，是不是在建築設計或營建技術上能解決這種深層的恐懼。

¢        傳統建築的結構概念

傳統建築用鋼材、混凝土、或木材等結構建材，設計到足夠的強度和韌性來抵抗地震力的破壞。 唯韌性結構雖然可以消散地震的破壞能量，但強度大到一定程度時，仍難免對非結構構件的牆，甚或結構體（如樑柱等）造成破壞。 九二一大地震對建築物隔間牆的破壞及建築物傾毀就是明顯的例子。 一般而言，大地震後牆的補修是很正常的，因為牆的勁度通常較柱子大，主震時牆會比柱先吸收地震力的衝擊而遭破壞。 雖然牆先行被破壞後再由框架式的樑柱結構來抵抗餘震在結構設計上是正確安全的概念，但是經常這樣修修補補和擔心受怕也不是辦法，是不是有一勞永逸的方法可以徹底解決問題？

¢        提高建築耐震能力的方式

一般而言，提高建築耐震能力之方式主要可分為兩大類：一是隔震、一是消能。消能是利用可變形，或可破壞之斜撐桿件或可復原之阻尼器(Damper)，拉長建築物振動周期及增加阻尼比，期以達到提高建築耐震能力之效果。 但這種方式仍不能改變建築物在地震時樓層間變位之事實：這種變位正是造成牆面 龜裂、門窗變形、斜撐破壞及管線破裂之原因（如下圖）。但隔震的方式在想法上就和消能完全不同了。

¢        什麼是隔震建築？

隔震建築，在日本叫「免震構造」，它的原理是利用阻尼器（又叫隔震器或隔震墊）拉長建築物振動周期及增加阻尼比，以降低地震力對建築物的衝擊。 簡單來說，就是用隔震器將地震時建築物的擺動轉換為建築物對地面的橫向位移，地震能量由隔震器來吸收。 如此隔震建築物就大大的降低扭曲及彎曲，也會明顯的降低搖擺程度（地震加速度），因而降低構造及設備的破壞。

近年來地震頻仍的國家諸如美、日、義、蘇、大陸投入了大量資源進行隔震技術的理論和應用研究工作，取得了相當的成果。1994年美國北嶺(North-ridge)和1995年日本神戶(Kobe)兩次大地震中，成功的被紀錄到隔震建築物於大地震時結構的地震反應。地震反應紀錄顯示隔震結構受力僅為傳統結構系統的30%（如下表），且上部結構之行為亦可被簡化視為彈性結構（非同於上述之韌性結構），降低樓層間相對變形。

¢        什麼是隔震器？

隔震器是裝置在基礎（或下層結構體）與上部結構中間的一種連結裝置，通常位於柱之下端。 建築用的隔震器通常為圓形，也有方形，大致上可分為兩大類：一類是單擺或雙擺隔震器，這類隔震器是利用擺垂原理將地震的動能轉化為位能，再慢慢消散掉這些能量將建築物回歸原來位置。 這類隔震器材質為鋼材，磨差面鍍鐵氟龍（如下圖）。 因本身之間上下構造沒有連結，不能抵抗向上之拉力，故適用於高寬比較小之建築。

另一類則是積層橡膠隔震器，其構造是一層鋼片一層橡膠累積多層而形成。 此類隔震器是利用扁平橡膠層在均佈垂直載重時不會被擠壓變形但又可橫向位移之性質而構成。 必要時於隔震器中心加裝圓柱體之鉛心則可抵抗較大之橫向力（鉛心橡膠隔震器LRB）。 地震之動能轉化為熱能由鉛心吸收而融化，至地震結束時，橡膠拉力將建築物拉回原點，融鉛再散熱凝回固體，如此週而復始使用。（如下圖） 

¢        現有多少實際案例？

日本已有2000棟以上實際案例，大陸也有700棟以上，台灣目前則在九二一地震後，於民國九十年九月二十一日在聯合國工業發展組織(UNIDO)及Vibro-Tech Inc. USA引進低硬度鉛心橡膠隔震器(LRB)開始台灣之案例，目前約完成20棟隔震建築。 其中內政部建築研究中心之材料實驗群亦採用Vibro-Tech Inc. USA之隔震器興建隔震建築。 民國九十一年四月一日更由內政部頒佈「建築物隔震設計規範」以落實建築管理。

¢        隔震建築可以蓋多高？

原則上隔震建築沒有高度限制，日本已有位於涉谷完成之藤和神樂阪住宅高達27層RC構造大樓，目前亦有高達49層大樓興建中。

¢        隔震器會損壞嗎？

基本上隔震器之材質是由鋼和橡膠積層組成，外緣由一層人造橡膠一體成形密閉包覆，以阻絕有害氣體（硫磺）傷害橡膠。 而且隔震器均裝置於密閉之隔震層內，沒有紫外線破壞及接觸有害氣體之可能，因而隔震器之壽命在正常使用狀態下，通常都比該建築物耐久。 即若確有需要更換情形，利用原設計預留之維修通道，隔震器也可容易更換（如下圖）。一般而言，隔震器設計承載之垂直壓力僅為容許承載壓力之5%以下，故當發生地震垂直震動時，隔震器亦可輕易承受，不致會有受垂直力破壞情形。

¢        隔震建築的優點

我們歸納隔震建築的優點如下：

}        免除對地震之恐懼—大量降低地震時搖擺程度

}        可提高耐震等級1.5倍以上

}       大幅降低地震對構造及設備之破壞，如樑柱破壞、牆裂、磁磚掉落、門窗變形、家具傾倒、管線破壞等

}       隔震器上部之結構強度可以折減，如混凝土斷面尺寸、鋼筋用量等，因而約可降低結構造價10%~35%（非隔震建築法歸規定之耐震加速度為0.33gal，但隔震建築僅為0.23gal）

}        室內空間因建築物構材尺寸縮減而增大

}        大幅減少勁度分配不良配置（如短柱效應、L型配置）之問題

}        可增加建築須設伸縮縫之長度

}        區隔建商產品創造優質化建築，成為產品之賣點，提高利潤

¢        隔震建築需注意事項

}        各類水電、瓦斯、空調等配管因在隔震層會產生相對位移，故在其施工方式上應注意採用正確之方式。

}        建築細部構造因有部分會產生相對位移故應在設計時確實交代清楚各類細部大樣，避免地震時碰撞及視覺突兀。

}        隔震器所在之隔震層需要多出一層樑，有時會多出一層樑與樓版，會產生該層之費用，在預算規劃時應注意。

}        採用LRB隔震器之隔震建築之高寬比可依結構設計調整，避免傾倒(Over-turning)問題，採單擺或雙擺隔震器其高寬比應遠低於採LRB隔震器。 結構分析時應儘量避免隔震器產生拉力分配。

¢        本團隊施工之個案

}        台北市公館捷運站聯合開發大樓隔震層——地下3層地上15層RC造，隔震層位於地上2層底部

}        台北市信義路三段辦公大樓——地下2層地上12層RC造，隔震層位於地上2層底部

}        桃園縣大溪鎮簡先生公館——地上3層RC造，隔震層位於基礎層

}        台中縣太平市麗兆公司廠房——地上3層RC造，隔震層位於基礎層

¢        本團隊設計之個案

}        桃園縣大溪鎮簡先生公館——地上3層RC造，隔震層位於基礎層

}        台中縣太平市麗兆公司廠房——地上3層RC造，隔震層位於基礎層

 ¢        本團隊指導之個案

}        北京市二環北京地鐵复八線國宅——地上2層平台，平台上9層RC造，隔震層位於平台上方，使用隔震器3703個

¢        結論

隔震建築是現在及未來在地震頻仍地區徹底解決地震損壞建築問題之最佳方式，我們懷著一種希望人們免於地震恐懼的心，冀求不要再有九二一類似的災難發生。